¿Análisis y aplicación del sistema de automatización de plantas de tratamiento de aguas residuales?
1. Introducción
El agua es una parte indispensable e importante de la vida humana y del desarrollo de la economía nacional con el rápido desarrollo de la ciencia y la tecnología y la enorme mejora de la vida humana. estándares, la importancia de la limpieza La demanda de fuentes de agua de alta calidad también está aumentando rápidamente. Construir un sistema de automatización de tratamiento de agua razonable, confiable, estable, avanzado, económico y escalable se ha convertido en una preocupación común de la comunidad de ingenieros y del departamento de gestión de operaciones de la industria del agua urbana. El desarrollo de la microelectrónica, las comunicaciones y la tecnología informática ha mejorado enormemente la informatización y la inteligencia de los sistemas de control de tratamiento de agua. El PLC combinado con la tecnología 3C se ha convertido en un sistema de automatización de tratamiento de agua con su excelente confiabilidad, antiinterferencias y métodos de control flexibles. El controlador central del sistema, junto con el sistema de comunicación de red abierta, promueve el desarrollo de sistemas inteligentes de automatización del tratamiento de agua.
La industria del tratamiento de agua se divide principalmente en dos partes: tratamiento de purificación de agua y tratamiento de aguas residuales. El sistema de control de la planta de purificación de agua generalmente se divide en sistema de despacho de planta de agua, estación de control PLC de sala de dosificación (sala de cloración), estación de control PLC de estación de filtrado, estación de control PLC de sala de bombas de suministro de agua, etc. Cada estación de control funciona de forma relativamente independiente, se comunica a través de una red cableada y envía toda la información de los datos a la sala de despacho de la planta de agua para su procesamiento, o envía parte de los datos al centro de despacho de la ciudad a través de comunicación inalámbrica (o por cable) a través del sistema de despacho. Para el tratamiento de aguas residuales, el flujo del proceso de tratamiento de aguas residuales debe determinarse de acuerdo con las condiciones de la fuente de aguas residuales. Debido a los diferentes procesos de tratamiento de aguas residuales, los requisitos para la aplicación de PLC en el sistema de control automático también son diferentes. En términos generales, toda la planta de tratamiento de aguas residuales tiene una sala de control maestra y múltiples estaciones de control en el sitio. Las estaciones están conectadas a través de una red de capa de controlador o una red de capa de información, y luego todas están conectadas a la sala de control maestra. Las estaciones de trabajo y las estaciones de gráficos están conectadas con la red de la capa de información, formando así una red de automatización a nivel de fábrica con administración centralizada, control descentralizado e intercambio de datos de alta velocidad con la estación de control en el sitio [1]. El sistema es la parte central de control de la planta de tratamiento de agua y es razonable. La selección y el diseño son muy importantes para el funcionamiento eficiente y automatizado de la planta de tratamiento de aguas residuales. Sin embargo, la red PLC es la máxima prioridad y la calidad de la red afecta directamente el funcionamiento normal de la planta depuradora.
2. Composición del sistema
El sistema de control automático de una planta de tratamiento de aguas residuales generalmente incluye una parte de planta depuradora y una parte de estación de bombeo externa. La red de comunicación del sistema de monitoreo y el PLC son los componentes centrales del sistema de automatización del tratamiento de aguas residuales, y su desempeño jugará un papel decisivo en el sistema de automatización del tratamiento de aguas residuales [2]. Elija el PLC y la comunicación adecuados en función de las características de la automatización del tratamiento de aguas residuales. y seguimiento de las necesidades. La red es un factor importante para garantizar el rendimiento de los sistemas de automatización del tratamiento de aguas residuales.
Red de comunicación:
En cuanto a la estructura del sistema de automatización del tratamiento de aguas residuales, el sistema de gestión nacional adopta principalmente una gestión de tres niveles, a saber, el centro de seguimiento principal y los subcentros de seguimiento regionales. y estaciones de monitoreo. Dado que la estación de monitoreo no controla directamente el equipo de campo de la planta de tratamiento de aguas residuales, la comunidad de ingenieros divide el sistema de monitoreo en capa de información, capa de control y capa de equipo de acuerdo con la estructura del sistema.
La primera capa es la capa de información, que es la principal responsable de la transmisión de grandes cantidades de información e información entre diferentes dispositivos de diferentes fabricantes. Actualmente, Industrial Ethernet es una red de información comúnmente utilizada por todos los principales fabricantes de PLC. En el mundo admiten Ethernet industrial y, basándose en el TCP/IP original, han desarrollado sucesivamente Ethernet industrial con mayor rendimiento en tiempo real, como Ethernet/IP compatible con Omron y Rockwell, y Modbus-TCP/IP compatible con Schneider As. así como ProfiNet soportado por Siemens, etc. Debido a la gran cantidad de información en Ethernet, en el sistema de automatización de la planta de tratamiento de aguas residuales, Ethernet se utiliza principalmente para la transmisión de datos entre varias subestaciones de control y centros de monitoreo, incluida una gran cantidad de información de datos históricos, como varios datos de sensores.
La segunda capa es la capa de control, que utiliza principalmente buses de campo para formar la red de controlador del área del túnel. Su característica es que adopta una red de bus estándar, que no solo puede cumplir con los requisitos de comunicación en tiempo real. , pero también tiene estándares de protocolo abiertos. La interfaz puede conectar cómodamente varios equipos de campo en el bus, lo que favorece la expansión del sistema de monitoreo.
Actualmente, existen más de 40 buses de campo. Los buses de campo utilizados en los sistemas de automatización de plantas de tratamiento de aguas residuales incluyen principalmente ControllerLink, LonWorks, Inetrtbus, Profibus, Can y Modbus. Sus características comunes son alta velocidad y alta confiabilidad, que son adecuadas para PLC y High-. Acelera la comunicación de grandes cantidades de datos entre computadoras, PLC, PLC y otros dispositivos. Para que el sistema sea estable y confiable, la estructura de red de la capa de control se compone principalmente de una red en anillo, que incluye el tipo de cable y fibra óptica como medio de transmisión. La red específica se explicará con ejemplos más adelante.
La tercera capa es la capa de dispositivo. Esta capa se utiliza para la comunicación entre PLC y dispositivos de campo, terminales de E/S remotas e instrumentos de campo. Incluyen DeviceNet, Modbus y Profibus/DP, entre los que se encuentra DeviceNet It. se ha convertido en un bus estándar en la industria y se ha utilizado ampliamente. Aunque Profibus/DP no se ha convertido en un estándar, debería estar bastante extendido.
Vale la pena señalar que la aplicación generalizada de Ethernet en los últimos años ha hecho que la gente preste atención al bus de campo. Aún es un tema de debate si el Ethernet industrial eventualmente reemplazará al bus de campo. Sin embargo, ya sea Ethernet/IP o Modbus-TCP/IP, Ethernet todavía no puede tener las características y ventajas del bus de campo en algunos indicadores de rendimiento importantes. En esencia, el método de acceso del monitoreo de conflictos de escucha de tramas de portadora de Ethernet CSMA/CD no es tan en tiempo real como los métodos de acceso de token bus y token ring utilizados por el bus de campo, sin importar qué método use la gente, como la encapsulación de protocolo, el tiempo. compartir el control de acceso, etc., solo puede mejorar el rendimiento en tiempo real de Ethernet, pero no puede lograr cambios esenciales. Antes de que la tecnología actual esté completamente madura, el bus de campo es una opción positiva y segura cuando se aplica a la capa de control. Con el desarrollo continuo de la tecnología Ethernet, es muy probable que reemplace al bus de campo y se utilice en la capa de control en el futuro.
Subcentro de monitoreo y software de monitoreo de nivel superior:
El subcentro de monitoreo generalmente estará equipado con múltiples estaciones de trabajo SCADA (computadoras industriales). Se utilizan para monitorear el sistema de despacho de la planta de agua, la sala de dosificación (sala de cloración), la estación de filtrado, la sala de bombas de agua, etc. para completar la visualización del estado, control automático, control semiautomático, impresión de alarmas e informes de análisis de diversos equipos. en la planta de aguas residuales. Al mismo tiempo, el subcentro de monitoreo también configurará múltiples servidores para brindar soporte a otras computadoras y comunicarse con el centro de monitoreo principal.
Selección de PLC:
Schneider, Siemens, Omron, Rockwell y GE son los cinco mayores fabricantes de PLC del mundo y proveedores de soluciones generales que dirigen sus productos a diferentes campos. Entre ellos, Rockwell. , Omron y Schneider son los más utilizados en la aplicación de sistemas de automatización de tratamiento de aguas residuales.
El sistema de control automático de tratamiento de aguas residuales plantea requisitos más altos para el rendimiento del PLC como controlador central del sistema de control automático de tratamiento de aguas residuales, debe tener las siguientes características funcionales: Primero, debe ser estable y. confiable y tiene la capacidad de preprocesar datos y transmitir datos de manera centralizada, y tiene altas capacidades de protección contra fallas. En segundo lugar, el controlador local de la subestación de control puede realizar de forma independiente las tareas de control básicas de la partición de control, incluso si la estación de monitoreo; o el centro de monitoreo deja de funcionar debido a una falla, los controladores regionales adyacentes también pueden intercambiar información de datos. En tercer lugar, cuando el volumen de control de una determinada estación de control cambia, se pueden adoptar los algoritmos correspondientes de acuerdo con planes y procedimientos predeterminados para tomar decisiones sobre el control; objetos en el área correspondiente, como bombas o sistemas de dosificación, ajustar en consecuencia. Por lo tanto, debe tener al menos los siguientes módulos funcionales: funciones de adquisición, almacenamiento y procesamiento de datos (para lograr modos de trabajo centralizados e independientes, especialmente la capacidad de intercambiar datos con controladores adyacentes durante el control independiente, funciones de tolerancia a fallas, automáticas); funciones de diagnóstico y función de operación local (es decir, puede equiparse con una pantalla táctil).
Los requisitos de rendimiento de todo el sistema de monitoreo y las condiciones naturales, así como los requisitos del equipo durante el ciclo de operación, deben considerarse integralmente al seleccionar el equipo, especialmente en climas extremos y condiciones ambientales duras o en plantas de tratamiento de aguas residuales a mayor escala PLC redundantes de reserva activa de doble máquina con mejor rendimiento, como la serie 2Quantom de Schneider, 2ControlLogix de Rockwell, la serie CS1D de Omron y la serie S7-417 de Siemens; la diferencia es que el sistema dual de Omron se implementa en; un solo chasis, mientras que Siemens si los dos backplanes están conectados a través de fibra óptica, ocuparán el espacio del gabinete de control hasta cierto punto, pero su configuración es muy flexible y puede realizar múltiples estructuras redundantes de fuente de alimentación dual de CPU dual. fuente de alimentación única de CPU dual y fuente de alimentación única de CPU.
En condiciones ambientales generales o plantas de tratamiento de aguas residuales de menor escala, los modelos estándar se utilizan a menudo como controladores in situ, como la serie Quantom140 de Schneider, ControlLogix de Rockwell, la serie CS1 de Omron y la serie S7-400 de Siemens. etc.; todos admiten Ethernet industrial y una variedad de buses de campo, y el método de control adopta una estructura distribuida inteligente remota con CPU. El sistema tiene una gran apertura y compatibilidad, E/S ricas y módulos de alta función, y cumple completamente con los requisitos. Requisitos de procesamiento de señales del sistema de control automático de tratamiento de aguas residuales.
3. Casos de aplicación
A continuación se toma como ejemplo la planta de tratamiento de aguas residuales de Tianjin Xianyang Road [3] para explicar en detalle la composición del sistema de control automático de la planta de tratamiento de aguas residuales. La topología del sistema de control se muestra en la Figura 1. Se muestra:
Capa de información: debido a su gran área de distribución, el sistema de tratamiento de aguas residuales de Xianyang Road tiene 5 subestaciones PLC en la fábrica: estación maestra de subcontrol del sistema de pretratamiento PLC1, subestación del sistema de tratamiento biológico La estación de control principal PLC2, la estación principal de subcontrol del sistema de tratamiento de lodos PLC3, la estación principal de subcontrol del sistema de efluentes y agua de lluvia PLC4 y el sistema de digestión de lodos PLC5 utilizan CPU CS1H-CPU66H de OMRON. La capa realiza varias funciones de la planta de tratamiento de aguas residuales, recopilación de datos de todos los parámetros del proceso, estado operativo del equipo y parámetros eléctricos del proceso de la unidad, control del proceso de la unidad y del equipo, y a través del módulo de red OMRON CS1W-ETN21, y el control central. Sala a través del conmutador Ethernet Hirschmann para formar una red de anillo Ethernet de fibra óptica de 100M, transmitir datos a la capa de monitoreo y recibir instrucciones de control desde la capa de monitoreo. En la sala de control central, como nodo Ethernet industrial, el servidor de datos del sistema, dos computadoras de la estación de ingeniero/operador, impresoras, fuentes de alimentación UPS y pantallas de monitoreo se utilizan principalmente para el intercambio, visualización y control de información en el sistema. Esta capa realiza el control y la programación de los principales equipos de proceso a través de software de monitoreo de nivel superior, recopila, monitorea, optimiza y ajusta los parámetros del proceso en todo el proceso de tratamiento de aguas residuales, realiza simulación dinámica y análisis de tendencias, procesamiento de datos en tiempo real y Real- control de tiempo, realizando varios controles óptimos convencionales y complejos, control experto, control difuso y otros controles inteligentes avanzados en la configuración de control. Al mismo tiempo, las bases de datos históricas y en tiempo real potentes y estables también se convierten en el canal de información entre las capas superior e inferior a través de Ethernet. La estación de control en la sala de control central de la planta de aguas residuales también se comunica de forma remota con el centro de información, las computadoras portátiles y las estaciones de bombeo externas (estación de bombeo de Xianyang Road, estación de bombeo de Miyun Road) a través de RIAMBView tiene un servicio de datos remoto (. más adecuado para SCADA) función de banda ancha recibe o envía datos relevantes para realizar el acceso remoto a algunas imágenes en tiempo real y bases de datos de procesos.
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